¿La propagación de ondas electromagnéticas realmente usa EEE para crear BBB?

Los campos magnéticos no inducen campos eléctricos y tampoco los campos eléctricos inducen campos magnéticos. Son inducidos simultáneamente por corrientes variables en el tiempo y por cargas variables en el tiempo que son las fuentes y causas de los campos. Esto ha sido bien conocido desde 1908 [1].

Desde entonces, ha sido rebautizado erróneamente como "ecuaciones de Jefimenko", ver. https://en.wikipedia.org/wiki/Jefimenko%27s_equations .

Estas ecuaciones han sido bien conocidas por los ingenieros desde la década de 1930 cuando Stratton y Chu las publicaron en Phys. Rev. 1 de julio de 1939 vol. 56.

El profesor McDonald escribió una nota fascinante [2] sobre el tema y debería ser de lectura obligatoria para todos los estudiantes de EE/Phys mientras reemplaza cientos de libros de texto utilizados en la enseñanza de EM.

Aquí se reproducen en la forma en que McDonald los escribió:

En estas ecuaciones, los corchetes significan tomar el tiempo retardado$[f]=f(t-R/c)$. Observe que tanto el campo eléctrico como el magnético se expresan explícitamente como funciones retardadas de la densidad de carga$\rho$y densidad de corriente$\textbf{J}$. En esta interpretación los dos "$\textrm{curl}$"Las ecuaciones de Maxwell son restricciones ya que los dos campos pueden desarrollarse pero uno no induce al otro, solo las fuentes crean campos.

La belleza de las ecuaciones de Ignatowsky es que muestran explícita y separadamente los campos reactivos y los campos de propagación. Los campos reactivos o estáticos son los que tienen$1/R^2$dependencia y son inducidos por cargas y corrientes mientras que los campos que se propagan tienen$1/R$en los respectivos integrandos e inducidos por la variación de la tasa de tiempo de la densidad de corriente. Además, también se muestra manifiestamente que los campos de propagación son perpendiculares entre sí y también a la dirección de propagación, es decir, el campo de propagación es una onda transversal y son inducidos por la variación de velocidad de la densidad de corriente.

Como una corriente es una carga en movimiento,$\textbf{J}=\rho \textbf{v}$, la tasa de tiempo de la corriente es carga de aceleración, por lo tanto, los términos de propagación son inducidos por cargas de aceleración.

[1]: Ignatowsky: Ann. d. Física 23, 875 (1907); 25, 99 (1908).

[2]: Kirk T. McDonald, La relación entre expresiones para campos electromagnéticos dependientes del tiempo dada por Jefimenko y por Panofsky y Phillips, American Journal of Physics 65 (11) (1997), 1074-1076

En una onda electromagnética, los campos eléctricos cambiantes inducen campos magnéticos cambiantes, que a su vez inducen campos eléctricos cambiantes. Este procedimiento se autopropaga a la velocidad de la luz (ya que es luz) a través del espacio hasta que es absorbido o reflejado.

Fuera de la fuente (es decir, donde$\rho=0$y$\vec{j}=0$) tenemos las ecuaciones de Maxwell que establecen que$\partial\vec{E}/\partial t\propto\text{rot}(\vec{B})$y$\partial\vec{B}/\partial t\propto\text{rot}(\vec{E})$. El cambio en el tiempo de un campo es inducido por el otro, y estas son relaciones cuantitativas .

Por supuesto, podemos obtener de ellos una ecuación de onda para cada campo y proporcionarles las condiciones de contorno correctas, y el "acoplamiento" del campo puede volverse menos visible. Pero no debemos olvidar las ecuaciones originales de Maxwell con densidad de carga y corriente distintas de cero, así como que la fuerza total que actúa sobre algo (una antena receptora, por ejemplo) generalmente se determina con ambos campos:$\vec{E}$y$\vec{B}$. En otras palabras, el acoplamiento es al menos inevitable en la fuente y en el "sumidero".

La imagen que muestras es cualitativa . Lo implícito e importante en esto es un carácter ondulatorio de propagación de perturbaciones seguido de las relaciones cuantitativas exactas ;-)

Hay un punto de vista, que todos los electrones acelerados en la varilla de la antena están produciendo una onda EM macroscópica. Eso está bien para comprender cómo funciona la traducción por radio.

Pero vale la pena profundizar un poco más. La única posibilidad de inducir una radiación EM es la aceleración de partículas subatómicas, en su mayoría electrones. Incluso la radiación térmica, que emite todo cuerpo con temperatura superior a 0 Kelvin, es inducida por estas partículas aceleradas.

La razón más profunda de una onda de radio es la aceleración sincronizada de una gran cantidad de electrones y la aceleración de estos electrones en la superficie de la varilla de la antena. Este efecto piel es una condición necesaria porque los fotones de los electrones, acelerados dentro de la varilla, se disipan de inmediato y se transforman paso a paso en radiación infrarroja.

Cada electrón emite su propia radiación EM. Los cuantos de esta radiación se denominan fotones. Si uno está de acuerdo con este punto, entonces es obvio que la onda de radio en una vista microscópica es la combinación de todos los fotones emitidos por la aceleración sincronizada de los electrones de la superficie de la varilla.

Hertz fue el primero en observar que las ondas de radio tienen un campo eléctrico y otro magnético. Dado que la onda de radio consta de fotones sincronizados, es legítimo concluir que cada fotón también consta de un componente de campo magnético y uno eléctrico.

Sin embargo, el libro de texto también habla de cómo hay campos eléctricos cambiantes que inducen campos magnéticos (y viceversa). ¿Dónde sucede eso?

Los componentes de campo (E y B) de los fotones oscilan y cambian de signo periódicamente. Esta es la naturaleza del fotón. La representación de este fenómeno se dibuja de la siguiente manera:

Fuente

Más cerca de la antena, en el campo cercano , la onda EM se ve así:

Fuente

A partir de este esquema se ve la inducción de la componente del campo magnético de la eléctrica y la eléctrica de la magnética.